Con il petrolio greggio venduto a meno di 50 dollari al barile, non c'è alcun incentivo economico a sviluppare prodotti chimici biorinnovabili come semplici sostituti dei prodotti petrolchimici.

Questa è una realtà che ha i leader del National Science Foundation Engineering Research Center for Biorenewable Chemicals (CBiRC) con sede presso la Iowa State University che propongono un nuovo modello per creare, applicando, e commercializzando prodotti chimici a base di stocchi di mais, cippato di legno e altre fonti di biomassa.

Il modello dei ricercatori si basa su nove anni di lavoro CBiRC per studiare, ridurre i rischi e sviluppare tecnologie biorinnovabili. Il modello prevede l'identificazione di "molecole bioprivilegiate" che offrono proprietà uniche che potrebbero portare a nuovi prodotti.

Il modello è stato introdotto da Brent Shanks e Peter Keeling di CBiRC in un recente articolo sulle prospettive, "Le molecole bioprivilegiate:creare valore dalla biomassa, " pubblicato dalla rivista chimica verde e presente sulla sua copertina. Shanks è il direttore di CBiRC, un Anson Marston Distinguished Professor in Ingegneria presso lo Iowa State e la cattedra Mike e Jean Steffenson in ingegneria chimica e biologica. Keeling è il direttore della collaborazione industriale e dell'innovazione per CBiRC.

"Le molecole bioprivilegiate per la loro origine da molecole di derivazione biologica e la concomitante pletora di funzionalità hanno il potenziale per espandere notevolmente l'orizzonte del bioprodotto oltre l'ambito dei prodotti petrolchimici, " Shanks e Keeling hanno scritto nel loro articolo.

I due definiscono le molecole bioprivilegiate come intermedi chimici che provengono da fonti biologiche e possono essere convertiti in modo efficiente in vari prodotti, compresi i nuovi prodotti chimici e le sostituzioni drop-in per i prodotti chimici esistenti.

Shanks e Keeling hanno anche presentato le loro idee sulle molecole bioprivilegiate durante un seminario di gennaio sostenuto dalla National Science Foundation e una conferenza di giugno sponsorizzata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

"Quello di cui stiamo parlando sono nuove molecole con nuove proprietà, " Keeling ha detto. "Queste molecole non sono state pensate perché non erano possibili dai prodotti petrolchimici. Ma potrebbe esserci un grande valore in questa novità".

Shanks ha affermato che CBiRC - fondata nel 2008 con l'obiettivo di combinare gli strumenti di biologi e chimici per sviluppare tecnologie ibride per la produzione di sostanze chimiche biorinnovabili - ha indicato la strada proprio a tale approccio.

Nessuna nuova molecola

Le raffinerie di petrolio che trasformano il petrolio greggio in combustibili producono anche gas leggeri come sottoprodotto. Le aziende hanno preso quei gas e li hanno trasformati nelle molecole intermedie (alcheni e aromatici) che alimentano l'industria petrolchimica e ne producono le materie plastiche, fibre, adesivi, detersivi, vernici, inchiostri e molto altro.

Questo è un settore che è in attività da più di un secolo. Di conseguenza, sta lavorando con molecole familiari e processi efficienti che producono sostanze chimiche a basso costo.

Shanks ha affermato che i ricercatori affiliati a CBiRC, che è stato sostenuto da una serie di sovvenzioni per un totale di 35,26 milioni di dollari dalla National Science Foundation, non trovavano modi economicamente praticabili per i prodotti chimici a base biologica per sostituire quei prodotti petrolchimici dal petrolio greggio poco costoso.

Ma, ha detto che l'industria petrolchimica non produce nuove molecole commerciali da due decenni. E questo ha creato quella che potrebbe essere un'apertura per preziose sostanze chimiche a base biologica.

"La domanda che devi fare è, 'Abbiamo tutte le molecole di cui abbiamo bisogno?'", disse Shanks. "Abbiamo finito?"

Passando alle molecole biobased

Shanks ha affermato che i ricercatori CBiRC hanno chiesto a scienziati e ingegneri del settore dei prodotti di consumo se avessero tutte le molecole di cui avevano bisogno.

"La risposta clamorosa che otteniamo è no, " ha detto. "Dicono, 'Abbiamo bisogno di nuova innovazione, Nuovi Prodotti, nuove molecole.'"

Allora da dove arriveranno quelle molecole?

Shanks e Keeling indicano la biomassa delle piante come fonte di nuove molecole intermedie.

"Le materie prime derivate dalla biomassa sono particolarmente promettenti per aumentare drasticamente il pool di possibili intermedi perché forniscono una ricca gamma di complessità chimica, " hanno scritto sul loro giornale.

I prodotti chimici risultanti potrebbero essere prodotti farmaceutici di nuova generazione, nutraceutici, antimicrobici, insetticidi, erbicidi, beni di consumo e specialità chimiche.

"Non c'è dubbio che le molecole derivate dalla biomassa siano molto promettenti per la generazione di prodotti con proprietà migliorate, " scrissero.

Il metodo CBiRC

Ora che CBiRC esiste da nove anni, Shanks ha affermato che il centro di ricerca ha diversi casi di studio che dimostrano come le molecole bioprivilegiate creino nuovi prodotti e opportunità.

L'acido muconico è un esempio citato nel chimica verde carta.

L'anno scorso, due ricercatori affiliati a CBiRC - Zengyi Shao e Jean-Philippe Tessonnier, Gli assistenti professori di ingegneria chimica e biologica dello stato dell'Iowa - hanno riferito come hanno prodotto un nylon biorinnovabile.

Hanno iniziato con lievito geneticamente modificato - "una fabbrica microbica, " Shao ha detto - che fermenta il glucosio in acido muconico. Poi, usando un catalizzatore metallico e un po' di elettricità, i ricercatori hanno prodotto acido 3-esendioico. Con alcuni semplici passaggi di separazione e polimerizzazione, sono finiti con biobased, nylon-6 insaturo, 6.

"Non c'è un buon modo per arrivare a questa molecola dai prodotti petrolchimici, " Shanks ha detto. "Ma la biologia può fare tante cose".

Ci vorranno molti test per capire esattamente cosa possono fare le molecole bioprivilegiate. E così Shanks e Keeling hanno scritto che la via da seguire dovrebbe includere nuove strategie computazionali e sperimentali per testare prodotti chimici a base biologica per applicazioni nuove e preziose.

Di nuovo, Keeling ha affermato che CBiRC sta lavorando per mostrare la strada sviluppando approcci per identificare sistematicamente molecole bioprivilegiate e strategie ad alto rendimento in grado di valutare rapidamente migliaia di nuove molecole per applicazioni in vari settori.

"Stiamo dicendo, 'Facciamo molecole, '", ha detto Keeling. "È molto difficile progettare una nuova molecola. Quindi stiamo prendendo nuovo, molecole bioprivilegiate e vedere dove possono essere utilizzate al meglio."